基于OMAP-L138平臺多通道手持頻譜分析儀研究

摘要：針對部分特殊場合對頻譜分析儀使用需要多通道、便攜等需求，設(shè)計(jì)了一種通道數(shù)最多支持64通道的手持多通道頻譜分析儀。該頻譜分析儀以美國德州儀器公司推出的DSP+ARM雙核CPU芯片OMAP-L138為平臺，采用多通道A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，使用QT開發(fā)GUI界面對系統(tǒng)進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)顯示，能實(shí)現(xiàn)頻譜分析、失真測量、信號采集、多通道數(shù)據(jù)對比分析等功能。測試Y果表明：本設(shè)計(jì)能完成信號采集及頻譜分析功能，并擁有較小的采集頻率誤差，誤差值≤1%。

頻譜分析儀作為信號分析領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛的測試儀器，其主要功能是測量信號的幅度/頻率響應(yīng)，可以完成頻譜分析、失真測量、衰減測量、電子組件增益測量等，是從事電子產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)、檢驗(yàn)的重要工具。目前頻譜分析儀主要有兩種形式：一種是傳統(tǒng)的頻譜分析儀的前端電路是一定帶寬內(nèi)可調(diào)諧的接收機(jī)，輸入信號經(jīng)變頻器變頻后由低通濾器輸出，濾波輸出作為垂直分量，頻率作為水平分量，在示波器屏幕上繪出坐標(biāo)圖，就是輸入信號的頻譜圖。但是，傳統(tǒng)的頻譜分析儀有明顯的缺點(diǎn)，它只能測量頻率的幅度，缺少相位信息，因此屬于標(biāo)量儀器而不是矢量儀器。另一種是基于快速傅里葉變換FFT)的現(xiàn)代頻譜分析儀，通過傅里葉運(yùn)算將被測信號分解成分立的頻率分量，達(dá)到與傳統(tǒng)頻譜分析儀同樣的結(jié)果。這種新型的頻譜分析儀采用數(shù)字方法直接由模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)對輸入信號取樣，再經(jīng)FFT處理后獲得頻譜分布圖。但這種頻譜分析儀體積較大、輸入通道少，不可同時(shí)對多通道信號頻譜進(jìn)行分析比較以及數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理，滿足不了很多特定場合的使用要求。

基于這些，文中提出了一種基于OMAP-L138平臺的多通道(最多可達(dá)64通道)手持頻譜分析儀的設(shè)計(jì)方案，采用8通道A/D轉(zhuǎn)換器AD7828進(jìn)行多通道數(shù)據(jù)采集，使用跨平臺的C什應(yīng)用程序開發(fā)軟件QT開發(fā)基于linux操作系統(tǒng)的GUI界面對系統(tǒng)進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)顯示，能實(shí)現(xiàn)頻譜分析、失真測量、信號采集、多通道數(shù)據(jù)對比分析等功能。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用TI公司推出OMAP-L138芯片為系統(tǒng)主控芯片，包括外圍相關(guān)外設(shè)的搭建，完成信號采集、計(jì)算、顯示等功能，同時(shí)提供參數(shù)存儲、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，方便PC機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理和分析。OMAP-L138是一款高集成度、低功耗、高性能的雙核處理器，OMAP-L138是TI的一款采用ARM和DSP雙核架構(gòu)的低功耗嵌入式處理器，其內(nèi)部集成了300 MHz的ARM926EJ-S內(nèi)核及300 MHz的C6748 VLIW DSP核，并提供了豐富的外設(shè)接口，其將ARM核和DSP核整合集成在一個(gè)芯片內(nèi)，其穩(wěn)定性、抗干擾能力將得到很大的提升，同時(shí)也突出其體積小、功耗低等特點(diǎn)和優(yōu)勢，非常適合作為對數(shù)據(jù)處理能力要求高的手持設(shè)備的處理核心。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，OMAP-L138雙核心體系中，DSP核依靠強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力主要完成數(shù)據(jù)采集及數(shù)字信號處理等工作;ARM核則負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的控制、數(shù)據(jù)顯示和交互以及文件傳輸?shù)裙δ?。ARM外圍搭建豐富接口，同時(shí)很方便將數(shù)據(jù)傳送至PC機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步數(shù)據(jù)分析與處理操作。

1.2 多通道數(shù)據(jù)采集

多通道數(shù)據(jù)采集原理圖如圖2所示，信號輸入可為拔插式傳感器的信號輸入(如高保真電容式麥克風(fēng))，也可為各種信號輸出系統(tǒng)的信號輸出(如函數(shù)信號發(fā)生器)。其中每8路信號經(jīng)過多路復(fù)用器74HC4051選擇其中一路信號送入前置放大電路，前置放大電路負(fù)責(zé)將輸入信號放大至AD輸入范圍，為保證前端放大電路的性能指標(biāo)，設(shè)計(jì)采用高頻寬帶運(yùn)放AD811芯片，AD811 3dB帶寬高達(dá)140MHz，并且具有2500V/us的速度。前級放大后信號輸入至AD7828芯片的模擬輸入通道進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，AD7828是高速、多通道、8位ADC，具有8路復(fù)用模擬輸入。半Flash轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)現(xiàn)了每通道2.5μs的快速轉(zhuǎn)換速率。其中AD7828和74HC4051通道選擇采用DSP地址線控制，時(shí)序與DSP讀時(shí)序兼容，可將對應(yīng)通道數(shù)值采集當(dāng)成外設(shè)地址數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，簡化DSP程序流程，提高DSP利用率。

1.3 外圍接口

系統(tǒng)外圍包括Nand Flash、SDRAM、以太網(wǎng)、USB接口、鍵盤、觸摸屏、Jtag接口與實(shí)時(shí)時(shí)鐘和晶振。其中Jtag接口與實(shí)時(shí)時(shí)鐘和晶振是系統(tǒng)最小系統(tǒng)所必須，Nand Flash和SDRAM用于Arm核的linux操作系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)，提供文件存儲及操作等功能。以太網(wǎng)和USB接口用于手持設(shè)備與PC機(jī)間通訊，提供數(shù)據(jù)文件到PC機(jī)，以便PC對數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理和分析。鍵盤和觸摸屏用于CUI界面的顯示和操作，可完成測量參數(shù)設(shè)置以及結(jié)果顯示等功能。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 程序流程設(shè)計(jì)

OMAP-L138為ARM+DSP雙CPU架構(gòu)的處理芯片，其內(nèi)部有128KB的共享內(nèi)存可作為雙方緩存數(shù)據(jù)，但是并沒有在這兩個(gè)核中增加用于個(gè)核之間的通信機(jī)相互控制的指令，兩個(gè)核之間的通信只能依靠其間的中斷系統(tǒng)，其間中斷共計(jì)7個(gè)，Arm有5個(gè)DSP中斷時(shí)間，DSP有兩個(gè)ARM中斷。其中ARM和DSP只用系統(tǒng)控制模塊中的INRGEN寄存器相互中斷。當(dāng)雙核需要進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)，首先把數(shù)據(jù)放在雙方可以訪問的共享內(nèi)存中，然后給對方一個(gè)中斷信號。對方接收到中斷信號后瀆取共享內(nèi)存中的數(shù)據(jù)后進(jìn)行相應(yīng)操作。

如圖3所示為雙核程序流程控制圖，ARM系統(tǒng)啟動后，將使用DSP Link的Proc函數(shù)啟動DSP核，DSP核被喚醒后等待ARM系統(tǒng)發(fā)送的中斷信號。ARM子系統(tǒng)通過界面上參數(shù)的配置對所需要運(yùn)行參數(shù)的修改，配置完成后ARM子系統(tǒng)對共享內(nèi)存中的數(shù)據(jù)進(jìn)行更新，更新完成后向DSP發(fā)出中斷指令，DSP接收到指令后從共享內(nèi)存中讀取所需要運(yùn)行的參數(shù)，然后對信號進(jìn)行采集，采集完成后按照處理參數(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和處理，處理完成后將結(jié)果數(shù)據(jù)更新至共享空間，然后通過DSP Link向ARM發(fā)出中斷，ARM接收到中斷后讀取共享內(nèi)存中的數(shù)值，然后將結(jié)果更新至界面以及Nand Flash存儲空間，等待用戶對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析等操作。

2.2 界面設(shè)計(jì)

ARM內(nèi)核運(yùn)行操作系統(tǒng)為Linux2.6.32.2，界面采用QT進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)，QT是一個(gè)跨平臺的C++應(yīng)用程序開發(fā)框架。廣泛用于開發(fā)CUI程序。其良好封裝機(jī)制使得QT的模塊化程度非常高，可重用性較好，方便用戶使用。界面運(yùn)行截圖如圖4所示，其中包括文件操作、參數(shù)設(shè)置、運(yùn)行測試及對比分析界面。文件操作界面主要包括對歷史記錄數(shù)據(jù)調(diào)用、歷史測試參數(shù)調(diào)用、跨平臺間文本傳輸?shù)裙δ?參數(shù)設(shè)置主要對各個(gè)通道是否開啟、采樣參數(shù)、處理算法、結(jié)果顯式方式等進(jìn)行設(shè)置;運(yùn)行測試界面主要根據(jù)設(shè)置參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及結(jié)果顯示;對比分析界面主要對多通道數(shù)據(jù)進(jìn)行對比及進(jìn)一步分析，得出各個(gè)通道信號對比之后的分析結(jié)果。

3 實(shí)驗(yàn)測試

為測定系統(tǒng)可行性，本系統(tǒng)對CH1-CH4通道進(jìn)行音頻信號采集，信號輸入端連接高保真電容麥克風(fēng)，信號源采用4個(gè)音頻信號發(fā)生器同時(shí)發(fā)出頻率分別為1kHz、5 kHz、10kHz、15kHz的音頻信號，各通道采用頻率均設(shè)置為44.1k，采用FFT算法對其進(jìn)行頻譜分析，得出各通道采集結(jié)果圖如圖5所示。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果對比如表1所示。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，其中能對聲音信號輸入進(jìn)行頻譜分析，并將頻譜成分以柱狀圖形式描繪，其中能提取信號范圍內(nèi)頻率成分最大的頻率分量，并將結(jié)果顯示出來。

由表1可知，得出的結(jié)果誤差較小，在1%以內(nèi)。

4 結(jié)論

以O(shè)MAP-L138為核心的手持多通道頻譜分析儀，可以實(shí)現(xiàn)多路實(shí)時(shí)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采集和處理分析，依靠其便攜及多通道同時(shí)處理分析的特性和QT開發(fā)的上位機(jī)界面良好的交互功能及文件存儲功能，該頻譜分析儀能靈活應(yīng)用到各種場合，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。